具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

图1为本发明一实施例中全风速范围电压源型风电机组的选择性响应控制系统结构图。

参照图1所示，本实施例中的全风速范围电压源型风电机组的选择性响应控制系统包括：

双馈风电机组电压源控制模块：实现双馈风电机组的电压源控制，输出转子侧变流器三相调制波相角；

电压源选择性控制判断模块：判断风电机组是否处于恒转速运行阶段，以及判断电力系统中是否发生负载投入或者负载切除的动作；

风电机组转速控制外环：实现风电机组不同控制方式之间的柔性切换，在风电机组处于高恒转速阶段、变桨阶段以及低恒转速阶段的情况下控制机组转速恒定；

转速控制外环时间常数动态修正控制模块：判断风电机组的转速控制外环是否进行积分时间常数的动态修正，旨在减少转速响应后期的超调。

其中，风电机组转速控制外环用于实现风电机组不同控制方式之间的柔性切换，在小风速情况下，控制风电机组运行在低恒转速运行模式；随着风速增加，在中风速阶段，整体体现为MPPT最大功率跟踪控制；随着风速进一步增加，在高风速阶段，整体体现为高恒转速控制；随着风速进一步增加，当风力机输出机械功率大于额定功率，此时变桨控制起作用，通过增大风电机组的桨距角稳定风力机输出功率为额定功率。

目前现有的电压源控制风电机组，仅包括了在MPPT最大功率跟踪运行阶段以及恒功率变桨运行阶段的控制策略，并未涉及到低、高恒转速阶段的控制策略以及不同控制方式之间的切换，本实施例包含全风速范围内的四种运行阶段的控制策略，并能够实现柔性切换，是目前技术不具备的功能。

图2为本发明一实施例中双馈风电机组电压源控制模块的结构原理图。

参照图2所示，本优选实施例中，双馈风电机组电压源控制模块包括如下模块：

电压源控制转矩闭环控制模块：实现风电机组电压源控制中的有功功率控制，该模块输入为电磁转矩给定及其反馈信号，通过一个模拟同步发电机的同步控制环，形成转矩闭环输出信号；

电压源控制频率信号接口模块：将电网频率信号引入电压源控制，并可通过此模块控制机组是否参与惯量响应；

滑差角生成模块：根据所述电压源控制转矩闭环控制模块的转矩闭环输出信号以及所述电压源控制频率信号接口模块的输出结果，计算生成滑差角。

上述双馈风电机组电压源控制模块，能够实现双馈风电机组的电压源控制效果，能够主动响应电网频率的变化并提供惯量支撑。创新之处在于重新设计了模拟同步发电机的有功功率控制环，将电网频率对于控制结果的影响单独表示出来，并进行单独控制，进而能够人为控制风电机参加/不参加惯量响应，是现有的控制策略不具备的新功能。

图3为本发明一实施例中电压源选择性控制判断模块的结构原理图；

参照图3所示，本优选实施例中，电压源选择性控制判断模块包括如下模块：

发电机转速判断模块：判断机组转速是否已经到达高恒转速阶段、变桨阶段以及低恒转速阶段，当机组转速已经达到设置的最高转速或者最低转速，该模块输出0，其余情况下输出1；

电网频率检测模块：检测电力系统的频率变化，当频率跌落时，输出1，其余情况输出0，并设有迟滞控制器防止误触。

或门输出模块：将所述发电机转速判断模块以及所述电网频率检测模块的输出结果进行“或”运算，此举可以实现在高恒转速阶段、低恒转速阶段以及恒功率变桨运行阶段输出0，其余情况下输出1，此输出结果将直接接入双馈风电机组电压源控制模块，控制机组是否参与电网惯量响应。

本实施例中，上述的发电机转速判断模块，随着风速的增加，风电机组的转速也随之增加，当发电机转速增加至设定的最高转速时，则判断风电机组已经进入了高恒转速运行阶段；伴随风速进一步增加，当风力机的输出机械功率大于额定值，此时机组开始变桨运行，则判断风电机组已经进入了恒功率变桨运行阶段；当风电机组的转速随着风速的降低而减少到设定的最低转速时，则判断风电机组已经进入了低恒转速运行阶段。当风电机组运行在低恒转速运行阶段、高恒转速运行阶段以及恒功率变桨运行阶段时，所述发电机转速判断模块输出0，其余情况下输出1。

本实施例中，上述或门输出模块：将发电机转速判断模块以及电网频率检测模块的输出结果进行“或”运算，运算结果对应的含义如下：当风电机组运行在低恒转速阶段时，当且仅当电网频率增加，发生负载切除时，“或”运算的结果为1，控制风电机组参与惯量响应，其余情况下“或”运算的结果为0，控制风电机组不参与惯量响应；当风电机组运行在MPPT最大功率运行阶段，“或”运算的结果始终为1，控制风电机组参与惯量响应；当风电机组运行在高恒转速阶段以及恒功率变桨运行阶段时，当且仅当电网频率降低，发生负载投入时，“或”运算的结果为1，控制风电机组参与惯量响应，其余情况下“或”运算的结果为0，控制风电机组不参与惯量响应。本实施例在风电机组最大功率跟踪阶段，保持原有电压源的控制方式，风电机组具备吸收有功功率、释放有功功率的能力。

本实施例中，上述电压源选择性控制判断模块能够通过设计的逻辑运算环节判断电力系统中是否需要风电机组参与惯量响应，进而通过图2中介绍的电压源控制模块实现选择性惯量响应，仅在电网变化满足一定要求的前提下，才参与电网的惯量响应，避免风电机组长期处于安全转速运行区间之外，提高风电机组的运行稳定性。创新之处在于，现有的电压源控制方式不具备选择性惯量响应的控制效果，不论在什么情况下都强制要求风电机组参与惯量响应，具有潜在的稳定性风险。本实施例通过电压源选择性控制判断模块进行判断，仅在风电机组能够参与惯量响应时参与惯量响应，有效提高了风电机组的运行稳定性，是现有的控制策略不具备的新功能。

图4为本发明一实施例中风电机组转速控制外环模块的结构原理图。

参照图4所示，本优选实施例中，风电机组转速控制外环包括如下模块：

高恒转速阶段转速控制外环：控制高风速情况下将发电机转速控制在给定转速处，采用PI控制器，控制器输出结果即为双馈风电机组电压源控制模块中的有功功率给定；

低恒转速阶段转速控制外环：控制低风速情况下将发电机转速控制在给定转速处，采用PI控制器，控制器输出结果即为双馈风电机组电压源控制模块中的有功功率给定。

柔性切换环节：控制风电机组实现在恒转速控制与最大功率跟踪控制之间的柔性切换。

本实施例中，风电机组转速控制外环用于实现风电机组不同控制方式之间的柔性切换，具体的，柔性切换环节中：在风速较低时，低转速PI控制器输出的电磁转矩给定小于MPPT控制模块输出的电磁转矩给定，整体体现为低恒转速控制；在中风速阶段，MPPT控制模块输出的电磁转矩给定大于低转速PI控制器输出的电磁转矩给定，整体体现为MPPT最大功率跟踪控；在高风速阶段，高转速PI控制器输出的电磁转矩给定大于MPPT控制模块输出的电磁转矩给定，整体体现为高恒转速控制；随着风速进一步增加，当风力机输出机械功率大于额定功率，此时变桨控制起作用，通过增大风电机组的桨距角稳定风力机输出功率为额定功率。

本实施例中，上述风电机组转速控制外环模块，通过两个转速PI控制环节，实现风电机组的四种不同运行阶段之间的柔性切换，创新之处在于：目前现有的电压源控制风电机组，仅包括了在MPPT最大功率跟踪运行阶段以及恒功率变桨运行阶段的控制策略，并未涉及到低、高恒转速阶段的控制策略以及不同控制方式之间的切换，本实施例提出的控制方式包含全风速范围内的四种运行阶段的控制策略，并能够实现柔性切换，是现有的控制策略不具备的新功能。

图5为本发明一实施例中转速控制外环时间常数动态修正控制模块的结构原理图。

参照图5所示，本优选实施例中，转速控制外环时间常数动态修正控制模块包括如下模块：

S-R状态锁存器模块：根据风电机组转速以及电网频率的变化情况进行逻辑计算，S-R锁存器遵循的计算逻辑为：当S-R状态锁存器置位端为1，此时锁存器输出1，当S-R状态锁存器的归零端为1，此时锁存器输出0.

S-R状态锁存器置位判断模块：当风电机组处于高恒转速阶段且电网频率跌落，或者当风电机组处于低恒转速阶段且电网频率上升，这两种情况下当S-R状态锁存器置位端为1，其余情况下S-R状态锁存器置位端为0；

S-R状态锁存器归零判断模块：当风电机组不满足上述S-R状态锁存器置位端为1的条件时，S-R状态锁存器归零端为1，其余情况S-R状态锁存器归零端为0；

转速控制器时间常数切换模块：根据所述S-R状态锁存器模块的输出，动态修正高、低恒转速阶段转速控制外环的积分时间常数。

本实施例中，上述的S-R状态锁存器相关模块之间的关系如下：S-R状态锁存器模块有两个输入端口：置位端口S、归零端口R，以及一个输出端口Q。其中置位端口的值由S-R状态锁存器置位判断模块的输出所决定，归零端口的值由S-R状态锁存器归零判断模块的输出所决定。S-R状态锁存器输出端口Q的值将决定高、低恒转速阶段转速控制外环的积分时间常数。

本实施例上述转速控制外环时间常数动态修正控制模块，通过动态修改转速外环PI控制中的积分时间常数，减小转速在反向恢复时期的反向超调，避免风电机组长期处于安全转速运行区间之外，从而有效提高风电机组的运行稳定性。创新之处在于，现有的电压源控制技术并不考虑在低、高恒转速阶段的转速恢复问题，机组转速将有较长时间处于安全运行区间之外，将给机组带来的不利影响。本实施例则通过速控制外环时间常数动态修正控制模块，动态修改转速外环PI控制中的积分时间常数，减小转速在反向恢复时期的反向超调，能够有效提高机组的运行稳定性，是现有的控制策略不具备的新功能。

在另一实施例中，本发明还提供一种全风速范围电压源型风电机组的选择性响应控制方法，用于上述实施例中的全风速范围电压源型风电机组的选择性响应控制系统中，具体的，控制方法包括以下几个部分S1-S5：

S1，在全风速范围内实现双馈风电机组四种运行阶段之间的柔性切换，即：低恒转速运行阶段、MPPT最大功率跟踪阶段、高恒转速运行阶段、恒功率变桨运行阶段。

S2，在低恒转速运行阶段，选择性控制风电机组仅具备升速惯量响应的能力。

S3，在MPPT最大功率跟踪阶段，控制风电机组具备升速与降速双向惯量响应的能力。

S4,在高恒转速运行阶段，选择性控制风电机组仅具备降速惯量响应的能力。

S5，在恒功率变桨运行阶段，选择性控制风电机组仅具备降速惯量响应的能力。

上述S1-S5并不是表示步骤，而仅仅是一个标号，代表不同的控制操作，并不是执行顺序，以下各部分也是相同含义。

本实施例采用电压源风电机组选择性的控制方式，在高低恒转速阶段实现选择性的惯量响应，在体现惯量响应的前提下起到了保护机组的作用，能同时适用于中风速、高风速、低风速情况下时，风电机组处于响应的恒转速阶段情形，保证机组的稳定运行。

在上述实施例的基础上，具体S1进一步包括：

S101,在风速较低时，低转速PI控制器输出的电磁转矩给定小于MPPT控制模块输出的电磁转矩给定，整体体现为低恒转速控制。

S102,在中风速阶段，MPPT控制模块输出的电磁转矩给定大于低转速PI控制器输出的电磁转矩给定，整体体现为MPPT最大功率跟踪控制。

S103，在高风速阶段，高转速PI控制器输出的电磁转矩给定大于MPPT控制模块输出的电磁转矩给定，整体体现为高恒转速控制。

S104，随着风速进一步增加，当风力机输出机械功率大于额定功率，此时变桨控制起作用，通过增大风电机组的桨距角稳定风力机输出功率为额定功率。

本实施例中，在具体实施时，对于给定机型的风力发电机，根据其确定的型号，相关风速范围(较低风速、中风速、高风速)均可以从风电机组的参数中得到。

具体的，在上述实施例的基础上，S2进一步包括：

S201,在低恒转速运行阶段，控制风电机组仅参与响应负载切除而导致的频率抬升，仅具备升速惯量响应的能力。

S202,在升速单向惯量响应后期不出现明显的转速反向超调。

具体的，在上述实施例的基础上，S3进一步包括：

S301,当电力系统发生负载投入而导致的频率跌落情况时，控制风电机组体现为降速惯量响应。

S302,当电力系统发生负载切除而导致的频率抬升情况时，控制风电机组体现为升速惯量响应。

具体的，在上述实施例的基础上，S4进一步包括：

S401,在高恒转速运行阶段，控制风电机组仅参与响应负载投入而导致的频率跌落，仅具备降速惯量响应的能力。

S402,在降速单向惯量响应后期不出现明显的转速反向超调。

具体的，在上述实施例的基础上，S5进一步包括：

S501,在恒功率变桨运行阶段，控制风电机组仅参与响应负载投入而导致的频率跌落，仅具备降速惯量响应的能力。

S502,在降速单向惯量响应后期不出现明显的转速反向超调。

本发明上述实施例中，仅在MPPT最大功率跟踪阶段体现双向的惯量响应，在高恒转速、变桨恒功率、低恒转速阶段仅体现单向惯量响应，能够有效保护风电机组运行在合理转速范围。在高恒转速、变桨恒功率、低恒转速阶段，进行惯量响应的后期，不产生明显的转速反向超调，进一步起到保护风电机组作用，使其运行在合理范围。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。上述各优选特征在互不冲突的情况下，可以任意组合使用。